KR20020065362A - 원격 레이저 용접 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

원격 레이저 용접 시스템은 레이저 광선 발생기 및 광학 헤드(1)로 구성되는데, 상기 광학 헤드(1)는 레이저 광선(P)을 각각 광선 섹터(T) 내부로 향하게 하고 초점을 맞추기 위해 초점 장치(6) 및 거율 방향 조절 유닛(3,4)으로 구성된다. 거울 방향 조절 유닛(3,4)은 또한 공간 섹터(T)가 수직평면으로 향하도록 정렬되며, 광학 헤드(1)는 수직으로 이동가능하다.

Description

원격 레이저 용접 방법 및 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR REMOTE LASER WELDING}

본 발명은 일반적으로 원격 레이저 용접 시스템에 관련되는데, 특히 자동차 몸체 및 구성요소를 용접하는데 관련된다.

현재 알려진 원격 레이저 용접 시스템은 광학대로 구성된 광학 유닛 및 레이저 빔 발생기, 단절각뿔 내부에서 레이저 빔의 초점을 맞추고 방향을 조절하기 위한 초점 수단 및 거울 방향조절 수단으로 구성된다.

공지된 방법으로 원격 레이저 용접 시스템 같은 곳에서 단절각뿔 내에서 레이저 빔의 방향을 맞추기 위해 일반적으로 두 가지 해결책이 제공된다. 첫 번째 경우에서 상기 방향 조절 수단이 상호 직각인 축 위에서 회전하는 두 개의 거울로 구성되며(예를 들어, 각각은 개별의 거울 표면 위에 놓인다), 두 번째 경우에서 두 개의 상호 직각인 축 위에서 회전하는 단 하나의 거울로 구성되는 것이다(예를 들어, 상기 두 가지는 거울 자체 표면위에 놓인다). 거울의 진동은 일반적으로 검류계 시스템에 의해 제어된다.

이러한 공지된 해결책에서, 3차원 용접을 제공하고 광선의 초점을 맞추기 위한 단절각뿔의 공간적 방향은(수평적일 뿐만 아니라 수직으로 혹은 경사진 평면에 정렬된 표면 위에도) 많은 기술적인 어려움을 일으키는데, 용접될 전체 광학대 혹은 그 부분이 각도를 따라 이동해야 되기 때문이다. 선택적으로 몇 가지 광학대가 사용되어야 한다. 구조상 복잡하고 제조상 문제점들 외에도 적어도 하나의 움직임을 중복하도록 하는데, 광학대 혹은 광학대들 혹은 용접될 부분의 각운동이 전술된알려진 시스템에서 거울 방향 조절 수단의 두 가지 진동중 하나로 동일한 평면에서 수행되기 때문이다.

본 발명의 목적은 이러한 결점을 없애고, 최대의 정밀도과 안정적인 작동을 갖는 광학대로 구성된 광학 유닛을 움직이기 위해 축을 추가시킬 필요없이 3차원 용접을 할 수 있는 전술된 형식의 원격 레이저 용접 시스템 만드는 것이다.

본 발명을 따르면, 상기 목적은 청구항 제 1 항에 특별히 언급된 특성을 갖는 원격 레이저 용접 시스템으로 달성된다.

본 발명의 선호되는 실시예를 따르면, 방향 조절 수단은 레이저 광선을 수직 방향에서 수평방향으로 벗어나게 하는 고정 거울, 레이저 광선의 수평방향에 직각인 이동 거울의 평면에 정렬된 첫 번째 수평축에서 회전하는 이동거울, 상기 레이저 광선의 수평방향에 일치하는 두 번째 수평축에서 회전하는 이동거울, 상기 첫 번째 및 두 번째 축에 대한 상기 이동 거울의 각도방향을 따르는 움직임을 조절하는 높은 동력의 작동 수단으로 구성된다.

실제적으로 본 발명을 따르는 원격 레이저 용접 시스템에서 들어오는 레이저 광선의 축과 일치하는 두 번째 수평축 위에서 이동 거울 회전은 공간 영역을 발생시키는데, 상기 공간 영역은 구형 크라운 영역으로 형성되며, 종래의 단절각뿔 구조와 다르고, 동시에 수직평면 위에 요구되는 것과 같은 방향을 향한다. 이것은 공간 영역에 대한 공간 방향을 상당히 단순화시키는데, 용접된 부분 혹은 전체 광학 유닛에 대한 추가적인 제어 운동축이 필요하지 않기 때문이다.

본 발명의 또 다른 관점을 따르면, 상기 초점 수단은 상기 고정 거울의 위쪽에서 수직으로 움직일 수 있는 초점 렌즈로 구성된다.

이러한 해결책은 용접될 영역에서의 초점이 맞춰진 레이저 지점의 변동을 피하도록 하고, 초점을 맞출 때 상당히 빠르게 한다.

본 발명에 의한 레이저 용접 시스템은 자동차의 몸체를 용접하기 위해 카티젼 로봇(Cartesian robot)에 적용되기에 적합하다. 이러한 응용에서,갠트리(gantry) 형식의 로봇은 광학 헤드 위치제어장치 역할을 하며, 작동되는 부분이 고정되고, 모든 용접 단계가 진행되는 동안에 초점이 맞춰진 지점을 연속적으로 따라가서 공정을 좀더 빠르게 하는데, 광학 헤드가 용접이 진행 되는 동시에 원위치로 돌아가기 때문이다. 초점이 맞춰진 레이저 광선을 3차원적으로 조절 가능한 공간 섹터 내부를 향할 수 있기 때문에, 본 발명의 원격 레이저 용접 시스템은 수직표면 혹은 공간적으로 방향을 향하고 있는 표면을 따라 복잡한 용접을 수행할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참고로 예를 들어가면 설명될 것이다.

도 1은 본 발명을 따르는 원격 레이저 용접 시스템의 부분을 형성하는 광학 헤드의 수직 횡단면도;

도 2는 작동 예를 도시한 도 1의 광학 헤드의 구성요소 중 하나에 대한 투시도;

* 부호 설명 *

1......광학 헤드2......칼럼

3......첫번째 반사 거울4......이동 거울

5......수평 영역6......초점렌즈

도 1에 도시된 바와 같이, 숫자 (1)은 본 발명의 원격 레이저 용접 시스템의 광학 헤드를 나타낸다. 전술된 바와 같이 광학 헤드(1)는 차량의 몸체 및 각각의 구성요소를 용접하기 위해 카티젼 로봇에 적용되도록 편리하게 배열되어 있다.

상기 광학 헤드(1)는 당해업자에게 알려진 수단으로 수직방향(Z 축)으로 이동 가능한 공동 수직 칼럼 구조(2)로 구성되며, 내부에 레이저 광선(P)의 초점 및 방향 유닛이 삽입되고, 역시 공지된 방법으로 레이저 발생기에 의해 레이저 광선이 발생된다(도시 안됨).

레이저 광선(P)은 수직 방향(Z 축)으로 칼럼(2)으로 들어오며 수평방향(B 축)으로 광선을 벗어나게 하며 일반적으로 고정된 첫 번째 반사 거울(3)을 가로막는다.

그러므로 레이저 광선(P)은 헤드(1) 몸체(2)의 수평 영역(5)에 하우징된 두번째 반사 거울(혹은 이동 거울)을 가로막는데, 레이저 광선(P)의 수평 방향(B)에 대해 수직으로 배열되어 있고 자체 평면을 갖는 수평축에 대해 회전한다. 이러한 회전축은 (S)자로 표시된다. 도 1에 명확히 도시된 바와 같이, 수평 영역(5)으로부터 나오고 이동 거울 출력으로 벗어나는 레이저 광선(P)은 수평 영역에 대해 ±15°단위의 각도로 회전할 수 있다.

본 발명의 기본적인 특성에 따라, 이동 거울(4)은 또한 고정 거울(30)에 의해 반사되는 레이저 광선(P)의 수평방향과 함께 수평축(B)에 대해 회전 가능하다(전체 수평 영역(5)에 대해 전체적으로 혹은 자율적으로). 이러한 회전으로 인해 이론상 제한되지 않는 진폭은 ±140°단위가 될 수 있고, 광학 헤드(1)의 거울(3,4)로 형성되는 광학 방향 유닛은 레이저 광선(P)을 공간 섹터로 향하게 하는데, 도 2의 (T)로 그 예가 도시되었고, 수직평면에 제한을 가하지 않고 방향을 향한다.

축(S)에서 거울(4)의 회전과 축(B)에서의 회전은 종래의 검류 시스템 대신에 높은 동적 구동 시스템(예를 들어 직접 전기 모터로 형성됨)에 의해 제어된다.

이러한 종류의 실시예에서, 공간 섹터(T)는 원래 구형 크라운 섹터인 기하학구조를 나타낸다. 그러나 원뿔대 같은 다른 구조가 가능하다.

공간 섹터(T) 내에서, 레이저 광선(P)은 고정 거울(3)에 상측에 있는 칼럼(2) 내부에 정렬된 수직축 초점 렌즈(6)로 용접하기 위해 다른 거리에 편리하게 초점에 맞춰진다. 초점렌즈(6)는 수직축(Z)에 평행한 방향(L)을 따라 이동가능하다.

또한 광학 헤드(1)는 공간 섹터(T)의 정점(vertex)을 수직으로 움직여서 요홈부에 있는 용접될 영역에 도달하도록 하기 위해 수직축(Z)을 따라 번갈아 움직일 수 있다.

요약하면 전술된 광학 헤드(1)는 4축 칼럼-헤드(Z-L-B-S)로 구성되는데, 이들의 동작은 고정 거울(4)의 회전 및 진동 시스템과 광학헤드(1)가 잘 들어맞는 카티젼 로봇의 동작을 갖는 초점렌즈(6)의 이송 시스템을 통합 조절하도록 프로그램이 가능한 수치제어 시스템으로 제어된다. 전술된 바와 같이, 이러한 응용에서 갠트리 형식 같은 로봇은 광학 헤드의 위치제어장치 역할을 하며, 작동하는 부분은 고정되고 용접이 진행되는 동안에 초점 지점을 연속적으로 따라가고 공정을 더욱 빠르게 하는데, 광학 헤드는 용접이 되는 동시에 원위치로 되기 때문이다.

예를 드는 방식으로 전술된 응용의 경우에 있어서 공간 섹터(T)의 작동 크기는 900-150mm 범위로 구성된 기저부와 400mm 단위의 높이를 나타낸다.

자연히 청구항으로 정의되는 범위 내에서 본 발명의 실시예와 구조의 변형이 가능하다. 예를 들어, 4축 광학 헤드(1)(Z-L-B-S)는 구형 섹터(T)가 축(Z,B)으로 형성되는 수직 평면을 비한정적으로 향하게 할 뿐만 아니라 구체의 아무 지점에서 그 중심이 거울(3)의 지점과 일치하는 지점에 도달하는 레이저 광선 축을 공동으로 만다는 축(Z)을 갖는 평면 광선의 아무 평면을 향하게 하도록 하기 위해 수직축(Z)에서 회전할 수 있다.

Claims (14)

1. 원격 레이저 용접 시스템은 레이저 광선(P)을 각각 공산 섹터(T) 내부를 향하게 하고 그 초점을 맞추도록 하기 위해 거울 방향조절 수단(3,4) 및 초점 수단(6)을 포함하여 광학 유닛(1) 및 레이저 광선 발생기로 구성되는데,

   상기 광학 유닛(1)은 광학 헤드로 구성되고, 상기 방향조절 수단(3,4)은 상기 공간 섹터(T)가 수직 평면을 향하게 하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 방향 조절 수단은 레이저 광선(P)을 수직 방향(Z)으로부터 수평방향(B)으로 벗어나게 하는 고정 거울로 구성되고, 레이저 광선(P)의 상기 수평방향(Z)에 직각인 상기 이동 거울(4)의 평면에 정렬된 첫 번째 수평축(S)에서 회전하며, 레이저 광선(P)의 상기 수평방향에 일치하는 두 번째 수평축(B)을 회전하는 이동거울(4)로 구성되며, 상기 첫 번째 축 및 상기 두 번째 축(S,B)에 각각의 상기 이동 거울(4)의 각 운동을 제어하기 위한 높은 동족 구동 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 첫 번째 축(S)의 회전 각도는 ±15°단위인 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제 2 항 혹은 제 3 항에 있어서, 상기 두 번째 축(B)의 회전 각도는 ±140°단위인 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 전항 중 아무 항에 있어서, 상기 초점 수단은 상기 고정 거울(3)의 상측에서 수직으로 움직일 수 있는 초점 렌즈(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 전항 중 아무 항에 있어서, 상기 공간 섹터는 구형 크라운 섹터(T)인 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 전항 중 아무 항에 있어서, 상기 광학 헤드(1)는 수직축(Z)을 따라 이동 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 전항 중 아무 항에 있어서, 상기 광학 헤드(1)는 차량의 부품 및 몸체를 용접하기 위한 로봇에 적용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 원격 레이저 용접 방법은 레이저 광선을 발행시키고(P) 공간 섹터(T)의 상기 레이저 광선을 용접될 영역으로 향하게 한다음 초점을 맞추는 단계로 구성되는데, 또한 상기 공간 섹터(T)를 수직평면을 향하게 하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 레이저 광선(P)은 입사 수직 방향(Z)으로 부터 수평위치(B)로 벗어나서 결과적으로 첫 번째 수평축(S)을 향하는데, 상기 수평 방향(B)에 수직일 뿐만 아니라 상기 방향과 일치하는 두 번째 수평축(B)을 향하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 수평방향(B)은 수직으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 10 항 혹은 제 11 항에 있어서, 상기 수평 방향(B)은 상기 수직방향(Z) 주위로 회전 가능한 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 공간 섹터는 구형 크라운 섹터(T)인 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 9 항에서 제 13 항 중 어느 항에 있어서, 용접 단계에서 용접되는 부품은 고정된 상태로 있고, 초점이 맞추어진 지점을 연속적으로 따라가는 카티젼 로봇으로 차량의 부품 및 몸체를 용접하는데 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.